六、进程地址空间

一、环境变量

（一）概念

环境变量(environment variables)：系统当中用做特殊用途的系统变量。
如：我们在编写C/C++代码的时候，在链接的时候，从来不知道我们的所链接的动态静态库在哪里，但是照样可以链接成功，生成可执行程序，原因就是有相关环境变量帮助编译器进行查找。
环境变量通常具有某些特殊用途，还有在系统当中通常具有全局特性。
子进程默认会复制拥有与父进程相同的环境变量。

（二）常见环境变量

PATH : 指定命令的搜索路径
HOME : 指定用户的主工作目录(即用户登陆到Linux系统中时,默认的目录)
SHELL : 当前Shell,它的值通常是/bin/bash。

（三）查看环境变量方法

echo $NAME NAME:你的环境变量名称
指令 env——显示所有环境变量

（四）和环境变量相关的命令

echo: 显示某个环境变量值
export: 设置一个新的环境变量（export aaaa）
env: 显示所有环境变量
unset: 清除环境变量（rm只是普通的文件操作指令，无法删除环境变量）
set: 显示本地定义的shell变量（本地变量）和环境变量

1.echo: 显示某个环境变量值
2.export : 导出环境变量
3.env : 显示所有环境变量
4.unset ：删除环境变量
5.set：查看本地定义的shell变量（本地变量）和环境变量

（五）和环境变量相关的命令

基本指令也是程序，为什么我们的代码程序运行要带路径，而系统的指令不用带路径?
比如使用指令ls，pwd时直接使用即可，使用自己的myproc 可执行程序时（gcc -o mproc.c myproc） 需要./myproc.c
答：系统中是存在相关的环境变量，保存了程序的搜索路径的! 比如：执行 ls 这个可执行程序时，系统会在PATH中一个一个搜索，在特定路径（系统所有命令都在usr/bin路径下）下可以找到ls，就可以执行。
系统中搜索可执行程序的环境变量叫做 PATH !

1.如何让自己的程序不带路径也可以执行？

把自己的程序拷贝进环境变量中，就可以直接myproc执行程序了，拷贝的过程就是安装软件，但是不建议这样做，本身我们的软件就没什么意义，会污染系统，删除=卸载。
把myproc自己的文件加入环境变量PATH中，export PATH=$PATH:路径（相当于把PATH中的路径改成PATH和myproc的路径）。
错误示范：如果直接 export PATH=路径 ，会覆盖环境变量PATH的原有路径：这里pwd还能用，ls，top什么的就不能用了

# 二、常见的环境变量
XDG_SESSION_ID=299733
TERM_PROGRAM=vscode
HOSTNAME=VM-24-7-centos
TERM=xterm-256color
SHELL=/bin/bash  ： 显示shell所在路径
HISTSIZE=3000 ： 历史能够记录自己敲过的命令条数
SSH_CLIENT=111.18.128.241 7177 22 ： ip地址
TERM_PROGRAM_VERSION=1.78.2 ： 版本
USER=root/ ： 用户名
VSCODE_GIT_ASKPASS_MAIN=/root/.vscode-server/bin/b3e4e68a0bc097f0ae7907b217c1119af9e03435/extensions/git/dist/askpass-main.js
LOGNAME=root
MAIL=/var/spool/mail/root
PWD=/root/new/add.ringqueue  ： PWD：当前用户所处路径
LANG=en_US.utf8 ： 支持的编码格式，现在支持的是UTF8
VSCODE_GIT_ASKPASS_EXTRA_ARGS=
HOME=/root  ：代表不同用户的家目录
SHLVL=5
VSCODE_GIT_IPC_HANDLE=/run/user/0/vscode-git-d20790e3d3.sock
SSH_CONNECTION=111.18.128.241 7177 10.0.24.7 22
VSCODE_IPC_HOOK_CLI=/run/user/0/vscode-ipc-729d4afb-0a8a-48d3-848b-da318c83e93a.sock
LESSOPEN=||/usr/bin/lesspipe.sh %s
BROWSER=/root/.vscode-server/bin/b3e4e68a0bc097f0ae7907b217c1119af9e03435/bin/helpers/browser.sh
PROMPT_COMMAND=__vsc_prompt_cmd_original
VSCODE_GIT_ASKPASS_NODE=/root/.vscode-server/bin/b3e4e68a0bc097f0ae7907b217c1119af9e03435/node
GIT_ASKPASS=/root/.vscode-server/bin/b3e4e68a0bc097f0ae7907b217c1119af9e03435/extensions/git/dist/askpass.sh
XDG_RUNTIME_DIR=/run/user/0
HISTTIMEFORMAT=%F %T 
COLORTERM=truecolor
OLDPWD=/root/new
_=/usr/bin/env

（一）HOSTNAME——显示主机名

[root@VM-24-7-centos add.ringqueue]# echo $HOSTNAME
VM-24-7-centos

（二）SHELL—— 显示shell所在路径

（三）HISTSIZE——历史能够记录自己敲过的命令条数

（四）HOME——代表不同用户的家目录

三、环境变量和局部(普通)变量

环境变量：系统当中用做特殊用途的系统变量。
命令行变量分两种:

（一）普通变量（在env查不到）

（二）环境变量(全局)（在env能查到）

环境变量具有全局属性：环境变量是会被子进程继承下去的! !
所谓得本地变量，本质就是在bash内部定义的变量，不会被子进程继承下去!

四、环境变量的C、C++获取方式

（一）问题1：main函数可以带参数吗?最多可以带多少?

可以，实际是三个。

1. 先说main函数的前两个参数

main函数的前两个参数分别是下图所示：这两个参数我们称为：命令行参数
int main(int argc,char *argv[]) { // 数组个数 数组

}

2.argv[]中放什么呢？

我们给main函数传递的前两个参数 argc，char* argv[] 称为 命令行参数，传递的是命令行中输入的程序名和选项！比如命令行输入了./myproc -a -b -c，argc对应就是4，argv[ ] 中传入了这4个字符串，argv[0] = “./myproc”，argv[1] = “-a”，argv[2] = “-b”，argv[3] = “-c”，argv[4] = “NULL”，指针数组以NULL结尾。

给命令行参数传程序名和选项意义是什么？我们通过实现一个命令行版的计算器来理解：

（二）实现一个命令行版的计算器

我们要实现的功能：
执行 ./myproc -a 10 20 要实现 10+20=30;
执行 ./myproc -s 10 20 要实现 10-20=-10

// makefile
myproc:myproc.c
    g++ -o $@ $^ -std=c++11 -lpthread
.PHONY:clean
clean:
    rm -f myproc
// main.c
#include 
#include 
#include 
#include 
 
int main(int argc,char *argv[])
{
    if (argc != 4)
    {
        //如果用户输入不对，打印使用手册，-a加法，-s（subtract）减法，-m乘法，-d除法：
        printf("Usage: %s [-a|-s|-m|-d] one_data two_data\n", argv[0]);
        return 0;
    }
    int x = atoi(argv[2]);    //atoi：把字符串转为整数
    int y = atoi(argv[3]);
    if (strcmp("-a", argv[1]) == 0)    //如果输入-a，就是加法
    {
        printf("%d+%d=%d\n", x, y, x + y);
    }
    else if (strcmp("-s", argv[1]) == 0)    //如果输入-s，就是减法
    {
        printf("%d-%d=%d\n", x, y, x - y);
    }
    else if (strcmp("-m", argv[1]) == 0)    //如果输入-m，就是乘法
    {
        printf("%d*%d=%d\n", x, y, x * y);
    }
    else if (strcmp("-d", argv[1]) == 0 && y != 0)    //如果输入-d，就是除法
    {
        printf("%d/%d=%d\n", x, y, x / y);
    }
    else
    {
        //输入错误说明不会用，还是打印使用手册
        printf("Usage: %s [-a|-s|-m|-d] one_data two_data\n", argv[0]);
    }
 
    return 0;
}

1.给命令行参数传程序名和选项意义是什么？

答：同一个程序，通过传递不同的参数，让同一个程序有不同的执行逻辑 / 执行结果。
这就解释了指令中那么多选项的由来和起作用的方式！！Linux系统中，会根据不通的选项，让不同的命令，可以有不同的表现！
这就解释了我们平时输入的指令传入了哪里!

（三）命令行可以带第三个参数！： char *env[]（环境变量）

1.每个进程是会被传入环境变量参数的，环境变量传给env[] 。

#include
int main(int argc,char* argv[],char* env[])
{
// 存环境变量的指针数组以NULL结尾，所以到NULL时for循环结束：
for(int i=0;env[i];i++)
{
printf(“env[%d]:%s\n”,i,env[i]);
}
return 0;
}

2.C语言中函数无参，也是可以传参的，只不过实参没用上

但是如果是int fun(void) 就不可以传参。
这就解释了我们可以直接给main()函数传参的原因

（四）通过代码获取环境变量的三种方式

1.C语言获取环境变量的第一种方法

#include
int main(int argc,char* argv[],char* env[])
{
// 存环境变量的指针数组以NULL结尾，所以到NULL时for循环结束：
    for(int i=0;env[i];i++) 
{
    printf("env[%d]:%s\n",i,env[i]);                                                                                
     }
return 0;
}

2.通过第三方变量environ获取

C语言给我们提供了一个全局变量environ。

#include 
#include 
#include 
#include 

int main() {
    extern char** environ;

    for (int i = 0; environ[i]; i ++)  {
        printf("%d : %s \n",i,environ[i]);
    }
    return 0;
}

3.getenv——获取环境变量的接口

通过环境变量名直接获得环境变量的内容。
#include 
#include 
#include 
#include 
int main() {
    char *val = getenv("PATH");
    printf("%s\n",val);
    return 0;
}

五、程序地址空间

（一）概念

程序地址空间，不是内存!
程序地址空间=进程地址空间，是操作系统上的概念!
堆，栈相对而生。
堆区向地址增大方向增长
栈区向地址减少方向增长
我们一般在C函数中定义的变量，通常在栈上保存，那么先定义的一定是地址比较高的 ！

如何理解static变量？
函数内定义的变量用static修饰，本质是编译器会把该变量编译进全局数据区!

（二）感知地址空间的存在

函数内定义的变量用static修饰，本质是编译器会把该变量编译进全局数据区! 父子进程共享全局变量。

#include
#include
int g_val = 100;
int main() {
    pid_t id = fork();
    if (id == 0) {
        int flag = 0;
        while (true) {
            printf("i am son ： %d, ppid : %d, g_val : %d, &g_val : %p\n\n",getpid(),getppid(),g_val,&g_val);
            sleep(1);
            flag ++;
            if (flag == 5) {
                g_val = 200;
                printf("全局数据我已经改了，请你注意查看\n");
            }
        }
    }
    else {
        while(true) {
             printf("i am father ： %d, ppid : %d, g_val : %d, &g_val : %p\n\n",getpid(),getppid(),g_val,&g_val);
             sleep(2);  
        }
    }
    return 0;
}

fork创建子进程，父子进程同时运行，若在子进程中第5秒改了全局变量g_val的值，会发现！

父子进程读取同一个变量(因为地址一样!)，但是子进程修改的全局变量后，父子进程读取到的
内容却不一样! ! ! !
结论：

• 变量内容不一样,所以父子进程输出的变量绝对不是同一个变量。
• 但地址值是一样的，说明，该地址绝对不是物理地址！
• 在Linux地址下，这种地址叫做虚拟地址。
• 我们在用C/C++语言所看到的地址，全部都是虚拟地址！物理地址，用户一概看不到，由OS统一管理。

OS必须负责将虚拟地址转化成物理地址 ！

（三）让每一个进程都认为自己是独占系统中的所有资源

进程地址空间：每一个进程在启动的时候，都会让操作系统给他创建一个地址空间，该地址空间就是进程地址空间

每一个进程，都会有一个自已的进程地址空间!
操作系统要不要管理这些进程地址空间呢??
先描述，在组织
进程地址空间，其实是内核的一个数据结构，struct mm_ struct (稍后看! )
举例子理解：

• 我们往银行存10亿，但是银行可能没10亿，但银行给你画的饼就是10个亿。
• 一个富豪有3个私生子，富豪给每个私生子画的大饼，说自己有10个亿以后都是你的财产
• 大富豪: OS
  三个私生子:进程
  富翁给三个私生子画的大饼:进程地址空间
  我不给你，但是我这么说，让你感觉我给你！
  让每一个进程都认为自己是独占系统中的所有资源的! !

（四）虚拟地址空间=进程地址空间：struct mm_ struct

1.概念

所谓的进程/虚拟地址空间:其实就是OS通过软件的方式，给进程提供一个软件视角，认为自己会独占系统的所有资源(内存)。
每个进程会维护一个mm_struct，虚拟地址和物理内存通过页表建立映射关系。（上学时，一个班级中，老师点名需要一张名单，这个名单就是虚拟地址空间）
定义：就是从进程的视角看到的地址空间，是进程运行时所用到的虚拟地址的集合，地址最大的作用是唯一性。

我们在语言层面遇到的地址都是虚拟地址！每个进程都有一个地址空间，都认为自己独占物理内存。

linux下：逻辑地址=虚拟地址=线性地址。

2.为什么不让PCB直接去访问物理地址

• task_struct如果可以直接访问物理地址，但是物理地址有很多进程，如果你不小心寻址错误，访问到了其他进程，而这个进程是转账类似的，那是不是很危险？而如果我们有一层中间层，不允许你直接访问物理地址，而是在这之间对你的请求进行检查，如果合法给你映射过去，不合法就中止你的请求。
• 例子：就像const char* s=“hello world”,*s=‘H’，这样是不允许的，当页表识别出你是字符常量区的，它映射时就不会给你w的权限，本质上就是OS给你的权限只有r权限。
• 每一个进程只隐射到合法内存，不会恶意进程访问，保护物理内存，可以更方便进程与进程之间的解耦，保证了独立性这样的特性。

4.为什么存在地址空间

• 保护内存。如果进程之间可以访问物理内存，万一进程越界或者非法操作，不安全！
• 进程管理-Linux内存管理。因为进程具有独立性，一个进程对被共享的数据做修改，如果影响了其他进程，不能称之为独立性，进程地址空间的存在，可以更方便的进行进程和进程的数据代码之间的解耦，保证了进程独立性这样的特征！
• 让进程或者程序以统一的视角，来看待进程对应的代码和数据等各个区域，方便使用编译器也已统一的角度来进行编译代码！

4. 区域

每个区域范围，都是可以有对应的编号的，在虚拟地址空间 mm_struct 中有存储各个数据区的起始地址和结束地址，也就是区域。

5.写时拷贝

写时拷贝正好可以回答fork 现象,子进程修改的全局变量后，父子进程读取到的内容却不一样?

因为进程具有独立性，一个进程对被共享的数据做修改，如果影响了其他进程，不能称之为独立性,任何一方尝试写入，OS先进程数据拷贝，更改页表映射，然后让进程继续进行修改！！写时拷贝 ： 操作系统自动做的！！(写时拷贝本身就是有OS的内存管理模块完成的!所以我们感知不到)。

写时拷贝：g_val会再拷贝一份，子进程中的映射关系会改变，指向新的g_val，但是g_val的虚拟地址（相对地址）还是原来的地址，和父进程的g_val虚拟地址（相对地址）一样，但是他们的物理地址不一样，100改成200时，只会改变新的g_val！

6.为什么要写时拷贝?

为什么要写时拷贝，创建子进程的时候，就把数据分开，不行吗?

• 父进程的数据，子进程不一定全用，即便使用，也不一定全部写入——会有浪费空间的嫌疑
• 最理想的情况，只有会被父子修改的数据，进行分离拷贝。不需要修改的共享即可——但是从技术角度实现复杂，不可能实现
• 如果fork的时候，就无脑拷贝数据给子进程，会增加fork的成本(内存和时间)

所以最终采用写时拷贝：

• 写时拷贝只会拷父子修改的，变相的，就是拷贝数据的最小成本
• 拷贝的成本依旧存在
  **写时拷贝本质是延迟拷贝策略!**只有真正使用的时候，才给你!
  你想要，但是不立马使用的空间，先不给你，那么也就意味着可以先给别人!
  变相的提高内存的使用率!

7.fork有两个返回值，pid_ t id ,同一个变量，怎么会有不同的值?

• 当一个函数准备return，return 会被执行两次，return 的本质，就是通过寄存器将返回值写入到接受返回值的变量中，其实在return之前，你的子进程已经创建好了，准备被调度了，所以，返回的本质就是写入，谁先返回，谁就先写入父进程和子进程各自执行return！

• 当id=fork()的时候，谁先返回，谁就要发生写时拷贝，所以，同一个变量，会有不同的内容值，本质是因为大家的虚拟地址是一样的，但是大家对应的物理地址是不一样的! !